汽化热实验装置的设计

孙现亭， 姬鹏飞， 万明理

(平顶山学院 电气信息工程学院，河南 平顶山 467002)



汽化热实验装置的设计

孙现亭， 姬鹏飞， 万明理

(平顶山学院 电气信息工程学院，河南 平顶山 467002)

摘要：设计并制作了一种新的测定汽化热的实验装置，该装置采用了传感器等现代科技手段制作而成，具有结构简单、操作方便、实验不确定度小等优点.

关键词：汽化热；实验装置；电热法

0引言

汽化热实验是大学物理专业普通物理实验中的一个基本实验[1-4]，它涉及力、热、电等基本知识，对于培养学生综合运用实验基本知识解决实际问题的能力有重要意义.关于水的汽化热测量的研究也有相关报道[5-11].水的汽化热的测量大部分采用电热混合冷凝法.混合冷凝法在实验时将汽化了的水蒸气通过导管输入冷凝器中，蒸汽在冷凝器中凝结，测出冷凝水的质量和冷凝过程中放出的热量，就可以测出水的汽化热，用这种方法测量水的汽化热不仅设备复杂，操作也不方便，而且测量结果的不确定度也比较大.分析其原因主要有两点：一是水蒸气从蒸气过滤器到冷凝器(即装有一定质量冷水的量热器)传输过程中，由于传输管道较长，受外界环境的影响，管道内的温度总是低于蒸汽过滤器的温度，导致部分水蒸气在传输过程中已经冷凝成水珠，使得冷凝器中收集到的冷凝水有一部分没有经过冷凝过程，这是产生实验误差的主要因素.二是冷凝器中的冷水受热后温度升高，也将汽化一部分.同时在实验中为了使冷凝水温度均匀，需要不停地搅拌，这就不可避免地使一部分水溅出，这些因素也会使结果产生误差.这种方法测得结果的相对不确定度一般在10%左右.近年来，笔者采用电热法设计了一种新的实验装置测定水的汽化热.这种方法避免了混合冷凝法的缺陷，利用电热法直接加热汽化，测出汽化水的变化量及相应的电功，即可算出水的汽化热，提高了实验的精度.

1测量原理

物质由液态向气态转化的过程称为汽化.单位质量的水汽化为同温度的蒸汽时所吸收的热量叫做水的汽化热.汽化热与汽化时的温度有关，水的汽化热随着温度的升高而减小.本实验装置可以测定水在沸腾时的汽化热.

在保温容器中加入适量的水，接通加热电源，水沸腾时蒸汽从出气口逸出，设在Δt时间内有质量为m的水汽化为同温度的水蒸气，需要吸收的热量为

Q=mL，

(1)

其中L是水的汽化热，单位是J·kg-1.

在Δt这段时间内电源提供的电功

A=UIΔt，

(2)

如果不考虑热量损失，则

Q=A，

(3)

即

mL=UIΔt，

由此可得

(4)

利用(4)式可以求出水的汽化热.在实际测量中考虑热量损失，则

Q=mL+qΔt，

(5)

其中q为散热速率.

由于在实验时间内周围环境条件变化不大，q可看做常数，则(4)式变为

(6)

测量时为了消除散热影响，可以改变电源电压U、电流I和质量m，则可得

m1L+qΔt1=U1I1Δt1,m2L+qΔt2=U2I2Δt2,

(7)

由(7)式可得汽化热

(8)

其中Δt1是在U1、I1条件下汽化质量m1的水所用的时间，Δt2是在U2、I2条件汽化质量m2的水所用的时间.用(8)式可测得水的汽化热.

2实验装置

图1是实验装置示意图，该装置的设计主要由两部分构成，一是电源部分，包括电压及电流的测量；二是保温系统和时间及质量测量部分.

1.电源开关； 2.电压调节；3.电流调节； 4.计停按钮；5.时间清零；6.时间显示；7.质量清零；

8.电源按钮；9.质量显示；10.保温桶；11.绝热塞；12.导气管；13.电流显示；14电压显示

图1实验装置示意图

Fig.1Sketch of experiment device

电源部分采用大功率直流稳压电源，电压从0～30 V连续可调，电流从0～10 A连续可调，电压和电流的测量均采用数字电表测量，可直接读数.

保温系统主要采用双层不锈钢真空及隔热层设计，加热由电热丝完成，质量的测量采用传感器和电子电路完成，时间的测量由电子停表完成.电子停表和质量的测量采用联动设计，由计停开关完成，同时设置有清零开关，以便进行重复测量.

3测量及结果

1)在保温桶中装入小半杯热水，打开电源开关，通电加热，调节好电压和电流；

2)待水加热至沸腾时，按下计停开关，开始计时和质量测量，待一段时间后，再次按下计停开关，记下加热时间和质量大小；

3)按下清零键，把质量和时间显示清零；

4)改变电压和电流大小，重复上述测量过程.

以上过程可重复多次.

把表1中的数据代入式(8)，计算得L=2.246 6×106J/kg,与标准值(L=2.255 2×106J/kg)相比，其相对不确定度为Ur=0.4%.

表1　实验数据

4结论

实验表明，该实验装置结构简单，操作方便，实验的不确定度小.同时易于实现自动检测,为汽化热的测量提供了一种新的实验手段.

参考文献

[1]曾贻伟，龚德纯，王书颖，等.普通物理实验教程[M].北京：北京师范大学出版社，1989:126-127.

[2]曹惠贤.普通物理实验[M].北京：北京师范大学出版社，2007:154-156.

[3]侯如松.普通物理实验[M].成都：成都科技大学出版社，1994:129-132.

[4]贾玉润，王公治.大学物理实验[M].上海：复旦大学出版社，1987:164-167.

[5]张雄,冉光德,王黎智,等.水的汽化热测定实验研究[J].大学物理，1998,17(4):33-35.

[6]吴红玉.水的汽化热实验的研究[J].丽水师范专科学校学报,2003,25(5):108-109.

[7]秦庚生.水的汽化热实验研究[J].大学物理,1997,16(9):34-35.

[8]张星明,徐小梅,杨林泉,等.水的汽化热的测定[J].云南师范大学学报：自然科学版,1988,8(3):65-66.

[9]程怡乐.对水的汽化热测定实验的思考与改进[J].黄山学院学报，2007,9(3):150-151.

[10]周荣生.水滴对汽化热实验的影响[J].物理通报,2001(12):25-27.

[11]张广平.从水的汽化热测定中培养学生的研究能力[J].陇东学院学报，2011,22(2):108-110.

Experimental Device Design to Measure Heat Vaporization

SUN Xian-ting, JI Peng-fei, WAN Ming-li

(CollegeofElectricandInformationEngineering,PingdingshanInstitute,Pingdingshan467002,China)

Abstract:A new experimental device is designed and made to measure heat vaporization. Adopting some modern technological means such as sensors and so on, the device has the advantages of simplicity in structure, easy operation and small uncertainty.

Key words:vaporization heat; experiment apparatus; electric heating method

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1007-0834(2015)02-0071-03

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2015.02.019

作者简介：孙现亭(1966—)，男，河南叶县人，平顶山学院电气信息工程学院副教授，主要研究方向：物理学.

收稿日期：2015-02-28